基于静力水准仪的蝴蝶拱桥变形监测系统研究

摘  要：为及时掌握某非对称外倾蝴蝶拱桥变形状态，提出利用静力水准仪进行桥梁关键截面变形的自动化监测预警。文章介绍了静力水准仪的测量原理及系统组成，以某非对称外倾蝴蝶拱桥主梁监测系统的设计为例，介绍了主梁变形监测测点布置方案与阈值设置方法，并将控制截面测点数据与人工监测数据进行了对比。结果表明：基于静力水准仪的变形监测系统具有测量精度高、实时性好、受环境影响较小等特点，可以有效用于蝴蝶拱桥主梁变形监测。

关键词：蝴蝶拱桥;静力水准仪;变形监测;自动化

中图分类号：TP311     文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）23-0048-04

Study on Deformation Monitoring System of Butterfly Arch Bridge Based on Static Level

XU Wangxing

（Fujian Longyan Urban Construction Investment Development Co.， Ltd.， Longyan  364000， China）

Abstract： In order to grasp the deformation state of an asymmetric cambered butterfly arch bridge in time， the automatic monitoring and early warning of key section deformation of the bridge by using static level is proposed. This paper introduces the measurement principle and system composition of the static level. Taking the design of the main beam monitoring system of an asymmetric cambered butterfly arch bridge as an example， this paper introduces the layout scheme of the monitoring points of the main beam deformation and the threshold setting method， and compares the data of the monitoring points of the control section with the manual monitoring data. The results show that the deformation monitoring system based on static level has the characteristics of high measurement accuracy， good real-time performance and less affected by the environment. It can be effectively used for the deformation monitoring of the main beam of butterfly arch bridge.

Keywords： butterfly arch bridge; static level; deformation monitoring; automation

0  引  言

蝴蝶拱橋造型独特，富有艺术美感，具有流畅的拱肋和曲线桥道，圆润、优雅的轮廓给人以视觉上的享受，为城市地标性建筑[1]。为保证桥梁在长期使用过程中的结构安全和使用状态中的行车安全，运营期间的健康监测技术成为一种行之有效的方法[2]。由于主梁直接承受来自车辆的荷载作用，变形不仅受到自身截面几何尺寸、构造形式、材料特性的影响，还与吊杆力、布置间距以及主拱提供的约束有关，其挠度值不仅反映了梁体刚度的大小，同时更加直观地表现出桥梁结构整体工作性能，因此，桥梁变形监测是结构安全预警的重要指标，必须进行监测[3，4]。

随着我国经济的快速发展，运营期桥梁出现超载、超年限使用的情况日益增加，桥梁变形监测的相关问题也越来越受到国内外学者的关注[5，6]。目前国内外工程师针对桥梁变形的传统监测方法仍是通过全站仪进行人工测量，尽管该方法仪器操作简单，可减小前期投入，但测量精度受人为因素影响较大，且无法实现实时监测及预警。随着静力水准仪在大坝、高铁、隧道的沉降监测等工程领域中的广泛应用，发现其具有测量精度高、稳定性好、高效监测、实时预警等优点[7-9]。因此，静力水准仪在桥梁变形实时监测方面开始得到推广使用[10]。本文介绍了静力水准仪的测量原理及系统组成，以某非对称外倾蝴蝶拱桥主梁变形监测系统的设计为实例，详细介绍了蝴蝶拱桥主梁变形监测测点布置方案与阈值设置方法，并将控制截面测点数据与人工监测数据进行对比分析。

1  静力水准测量系统

1.1  基本原理

静力水准仪的组成部件主要包括浮筒、液缸、精密液位计、保护罩等。基于“连通管”的工作原理，通过连通管将n个静力水准仪连接在一起;注入液体后，液体在大气压力和重力的作用下，最终会保持在同一个水平面;静置一段时间后，测量各液缸内的水面高度，经过计算即可得到测点的位置变化。

以一定范围内某结构沉降监测为例，假设共有n个测点，如图1所示。

待各部件组装完毕后进行调平，静置24 h后，采集各测点静力水准仪的安装高程（Y01…Y0i…Y0j…Y0n），液缸内液位的高度（h01…h0i…h0j…h0n），此时各测点高程与液位高度的关系应满足：

Y01+h01=…=Y0i+h0i=…=Y0j+h0j=…=Y0n+h0n            （1）

根据连通管的原理，当场地发生k次不均匀沉降后，各测点液缸内液位的高度仍是相同的，则此时有：

（Y01+Δhk1）+hk1=…=（Y0i+Δhki）+hki=…

=（Y0j+Δhkj）+hkj=…

=（Y0n+Δhkn）+hkn            （2）

式中：Δh1…Δhi…Δhj…Δhn表示沉降引起的各测点高程的变化量，hki…hki…hkj…hkn表示沉降引起的各测点液面高度的变化量，第j个观测点相对于基准点i的相对沉降量为：

Hji=Δhkj-Δhki          （3）

将式（1）和式（2）代入式（3）可知：

Δhkj-Δhki=（Y0j+hkj）-（Y0i+hki）

=（Y0j-Y0i）+（hkj- hki）      （4）

安装待液缸静置稳定后，需要对各测点传感器调零，此时各个测点液缸内液面的初始高度差值均为零，则式（4）可以简化为：

Hji=hkj-hki          （5）

由式（4）可知：只需测得各测点静力水准仪在不同时刻液缸内液面的高度，通过各点之间两两相减即可求出差异变形。

1.2  系统组成

基于静力水准仪的蝴蝶拱桥变形监测系统由信息采集、传输网络、云平台和终端服务四部分组成，如图2所示。其中信息采集模块在整个系统中主要用于准确获取各测点处静力水准仪的位置及液位变化;传输网络模块主要用于实现数据的临时存储、实时采集、自动接收与转发、用户反馈等功能，以保证数据不失真;云平台通过计算机完成监测数据的接收、前处理、后处理、归档和存储等功能，有效控制桥梁现场的各数据调理器设备、采集子站和传感测试设备的相关工作;服务终端根据用户定义的阈值对桥梁危险状态进行实时预警，综合各个传感器的监测结果对桥梁进行合理评估。

2  工程实例

2.1  项目概况

研究以成都市红星路南延线跨府河大桥为例，该桥全长255.3 m，孔跨布置采用（44+150+55）m。该桥在平曲线内主梁采用格子梁与双纵箱相结合的三跨连续的钢箱结构，主拱部分包括拱肋钢箱段与拱脚混凝土段两部分组成，拱肋分别位于南北两侧倾斜的平面内，由于向外倾斜的角度不同，且拱肋之间不存在任何横向连接，南北两侧拱肋于主梁端部以下相交，故该桥为一座非对称外倾蝴蝶拱桥。此外，南北两侧拱肋与主梁之间分别设有20个吊点，每个吊点处设置两根吊杆;系杆分别锚固在南北两侧拱肋段混凝土内，共计12根，设置于梁底部。

2.2  测点布置

为实时监测桥梁结构关键状态参数，保障桥梁安全运营，及时掌握桥梁结构状态和趋势演变情况，该桥健康监测系统共设测点195个，其中针对曲线梁非对称肋外倾“蝴蝶形”拱桥主梁挠度共设置挠度测试截面共计16个（包括14个测点与2个基准点），本文选取主要控制截面包括3个测点，分别位于近北拱側主跨1/2L和两边跨1/2L处，基准点设置于桥台上，详细测点布置如图3、图4所示。

2.3  桥梁结构预警阈值设置

依据《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JTT 1037-2016）进行结构预警阈值设置，黄色预警出现在变形监测值大于0.8倍设计值时;红色预警出现在变形监测值大于设计值或一个月内发现10次以上黄色预警。

其中，梁体变形监测预警阈值设计值结合全桥有限元仿真进行计算，取桥梁在承载能力极限状态、正常使用极限状态下结构响应值作为红色预警值，黄色预警阈值考虑在两种极限状态阈值的基础上进行组合或折减后获得[11]。如果梁体变形已达到了影响正常使用的状态[12]，应采用最不利组合计算值（短期荷载效应组合及长期荷载效应组合）作为预警阈值，作为正常使用极限状态的预警数值进行预警。而承载能力极限状态下实际结构的变形预警，则通常以概率理论为基础的极限状态设计作为预警阈值，红星路南延线府河桥挠度预警阈值如表3所示。

2.4  数据分析

为验证主梁控制截面测点监测数据的准确性，将人工监测数据与实时监测数据进行拟合对比分析。其中，基于静力水准仪的实时监测系统变形监测频率为1次/分，各测点采样数据量为1 440个/天;而人工监测采用电子水准仪进行复核，变形监测频率为4次/天，监测点和基准点与自动化监测选点一致，各测点采样数据量为4个/天。考虑到数据量相对较大，故选取最具代表性测点（近北拱侧主跨1/2L处）2020年12月18日至24日的人工监测数据与静力水准仪监测的实时数据进行比对，如图5所示。

由上图可知，一周内基于静力水准仪的主梁跨中变形实时监测数据与人工监测数据误差介于0.02～1.7 mm，最大误差值小于2 mm。综合分析其他控制截面测点监测数据可知，基于电子水准仪的人工监测数据与基于静力水准仪的实时监测数据相比，其变化趋势和变化量基本一致，可见采用静力水准仪能准确有效的监测该蝴蝶拱桥的主梁变形。

3  结  论

针对目前运营期桥梁变形监测技术存在监测效率低、受外界环境影响较大、不能实现实时监测等缺陷，本文通过将静力水准仪引入桥梁变形监测领域，以某非对称外倾蝴蝶拱桥变形监测系统为研究对象，基于有限元模型分析结果，确定桥梁结构预警阈值与变形测点布置方案，通过横向对比控制截面测点7d的实时监测数据与人工监测数据，得到以下结论：

（1）静力水准仪用于主梁变形监测具有稳定性好、抗干扰能力强、监测效率高、实时预警等特点;

（2）基于静力水准仪的实时监测数据与基于电子水准仪的实时监测数据相比，其变化趋势和变化量基本一致，静力水准仪适用于蝴蝶拱桥的主梁变形监测，且具有较高的准确性和较好可靠性，可逐步予以推广。

参考文献：

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[4] 杜中和，張三峰，唐英，等.基于健康监测系统的非对称外倾蝴蝶拱桥健康状态评估方法研究 [J].铁道建筑，2017，57（11）：29-32.

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[10] 蒋国文.远程无线静力水准监测系统在城市立交桥健康监测中的应用 [J].广州建筑，2020，48（4）：7-11.

[11] YU J P，孙全胜.基于关键截面响应值的桥梁预警模型和分级设置研究 [J].低温建筑技术，2018，40（12）：50-53.

[12] 干俊，曹新军，吴景成.静力水准仪改进及应用 [J].铁道技术监督，2021，49（1）：22-25.

作者简介：徐旺兴（1974—），男，汉族，福建龙岩人，高级工程师，本科，主要研究方向：城市基础设施项目设计、建设管理和研究。